JP2003074856A - ガスタービン・エンジンの燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自家発電装置を駆動するような小型のガスタ
ービン・エンジンにおいて、燃焼室の冷却効率の向上を
図ると共に、燃焼、特に予混合燃焼の安定化を図るよう
にしたガスタービン・エンジンの燃焼器を提供する。 【解決手段】 燃焼室２４を形成する燃焼室ケーシング
２４ａの外側にライナ４０を配置してタービンノズル１
４ｃに接続すると共に、ライナ４０（およびドーム４０
ａ）に複数個の孔４０ｂを穿設し、それらを介して空気
通路の空気の一部を燃焼室ケーシング２４ａの外側に導
入する。また、燃焼室ケーシング２４ａのタービンノズ
ル側端部に、導入空気（希釈空気）と燃焼ガスの混合を
促進するミキサ形状部２４ａ１を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はガスタービン・エ
ンジンの燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン・エンジンの燃焼器は高温
の燃焼ガスに曝されることから、一般に膜冷却が行われ
ているが、特開平１０−６８５２３号公報記載の技術
は、燃焼器のライナ（内側ライナ）を穿孔すると共に、
外側に同様に穿孔された外面ライナを配置し、衝突冷却
（インピンジ冷却）と膜冷却を組み合わせて燃焼室ケー
シング（内側ライナ）を冷却することを提案している。

【０００３】この従来技術にあっては、衝突冷却に用い
られた空気は、さらに冷却効果を上げるため、膜冷却も
行うと共に、その冷却空気を燃焼反応途中の燃焼ガスが
存在する燃焼室（燃焼領域）に導入している。即ち、こ
の従来技術においては、膜冷却に衝突冷却を組み合わせ
て冷却効率を上げるように構成している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】通常、ガスタービン・
エンジンの燃焼器では、上記した従来技術に示されるよ
うに、供給される空気の一部を使用して燃焼ガスを希釈
し、所定のタービン入口温度まで低下させている。この
種の燃焼器構造を燃焼が拡散燃焼に比して不安定な予混
合燃焼に用いた場合、希釈空気が燃焼領域に逆流し、燃
焼を不安定にすると共に、ＣＯの増加を招く。

【０００５】従って、この発明の目的は上記した課題を
解消することにあり、燃焼領域に冷却空気あるいは希釈
空気を流入させることなく、効率的に燃焼室ケーシング
を冷却するようにしたガスタービン・エンジンの燃焼器
を提供することにある。

【０００６】さらには、この発明の第２の目的は、希釈
空気と燃焼ガスを混合させることにより、安定した予混
合燃焼を実現すると共に、燃焼ケーシングの強度および
耐久性も確保するようにしたガスタービン・エンジンの
燃焼器を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１項にあっては、コンプレッサで加圧され
た空気を圧送する空気供給路と気体燃料供給源に接続さ
れる複数個のベンチュリミキサを備え、前記複数個のベ
ンチュリミキサで前記空気と気体燃料を混合して生成さ
れた混合気を燃焼室に供給して予混合燃焼あるいは拡散
燃焼させ、生じた燃焼ガスをタービンノズルを介してタ
ービンに供給して前記タービンを回転させて前記コンプ
レッサを駆動する一方、前記タービンの回転を出力軸を
介して出力するガスタービン・エンジンの燃焼器におい
て、前記燃焼室を形成する燃焼室ケーシングの外側にラ
イナを配置して前記タービンノズルに接続すると共に、
前記ライナに複数個の孔を穿設し、前記穿設された複数
個の孔を介して前記空気供給路の空気の一部を前記燃焼
室ケーシングの外側に導入するように構成した。

【０００８】燃焼室を形成する燃焼室ケーシングの外側
にライナを配置してタービンノズルに接続すると共に、
ライナに複数個の孔を穿設し、それを介して空気通路の
空気の一部を燃焼室ケーシングの外側に導入するように
構成したので、高温の燃焼ガスに曝される燃焼室ケーシ
ングを効果的に冷却することができると共に、拡散燃焼
時に火炎を燃焼室の中心部に留め、その回りに予混合気
生成通路を通過した空気が包むように構成することが可
能となるため、燃焼室への入熱を抑制することができて
予混合燃焼に悪影響を与える膜冷却を不要とすることが
できる。

【０００９】また、二重壁としたことで、圧力荷重を温
度の低い外側のライナで受け、燃焼室を形成するケーシ
ング（内側のライナ）は、ほとんど圧力荷重を受けるこ
とがない（即ち、外側のライナに比して十分に小さい圧
力荷重を受けるに過ぎないため、ほとんど圧力荷重を受
けることがない）。よって、より高い強度（座屈）およ
び耐久性を確保しつつ、燃焼室に接するケーシングを高
温（ただし酸化許容温度以下）に保つことが可能とな
り、ＣＯの排出濃度を低減することができる。さらに、
それによって燃焼室ケーシングの座屈耐力を向上させる
ことができて低エミッション化を図ることができる。

【００１０】さらに、予混合燃焼では火炎からの放射が
拡散燃焼に比して小さいことから、この構成において、
衝突冷却（インピンジ冷却）用いつつ、孔径や配置を調
整することにより、膜冷却を用いることなく、燃焼ケー
シングを冷却することが可能となる。

【００１１】請求項２項にあっては、前記燃焼室ケーシ
ングのタービンノズル側端部に、前記導入空気と前記燃
焼ガスの混合を促進するミキサ形状部を形成した。

【００１２】燃焼室ケーシングのタービンノズル側端部
に、導入空気と前記燃焼ガスの混合を促進するミキサ形
状部を形成したので、希釈空気（冷却空気）と燃焼ガス
を平行して合流させることができ、逆流を防止すること
ができる。また、合流部の形状を変えることにより、温
度分布制御や混合を促進することが可能となる。例え
ば、希釈空気と燃焼ガスが接する境界面を長くすること
で、混合を促進することができる。また、燃焼室への逆
流を防止することで、一層安定な燃焼を実現することが
できると共に、タービンに供給する燃焼ガスの温度を低
下させることができてロータなどタービンの耐久性を向
上させることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に即し、この発明
の一つの実施の形態に係るガスタービン・エンジンの燃
焼器を説明する。

【００１４】図１はその装置をガスタービン・エンジン
全体を含めて示す概略図である。

【００１５】図１において、符号１０はガスタービン・
エンジンを示す。ガスタービン・エンジン１０は、コン
プレッサ１２と、タービン１４と、燃焼器１６を備え
る。コンプレッサ１２は、タービン１４の出力軸（ター
ビンシャフト）１４ａを介してタービン１４に連結さ
れ、タービン１４の回転で駆動させられる。

【００１６】また、タービン１４の出力軸１４ａには発
電機２０が接続される。発電機２０はタービン１４の回
転で駆動され、１００ｋＷ程度の電力を発電する。発電
機２０には電気機器（図示せず）が負荷として接続され
る。このように、図示のガスタービン・エンジン１０は
定置型であって、自家発電装置を構成する小型のガスタ
ービン・エンジンである。

【００１７】燃焼器１６はベンチュリミキサ２２と、そ
れに気密に取り付けられた燃焼室２４からなる。ベンチ
ュリミキサ２２は図示の如く、ミキサ基体２２ａの中に
形成される。ミキサ基体２２ａは、燃焼室２４の中心軸
線２４ｃ（タービン出力軸線１４ｂに一致）上に配置さ
れる。

【００１８】ミキサ基体２２ａにおいて、ベンチュリミ
キサ２２は、外部に開口して新気を吸入する空気吸入口
２６に接続され、コンプレッサ１２で加圧された空気を
圧送する空気供給路３０に接続されると共に、気体燃料
供給源（図示せず）に接続され、それら空気と気体燃料
を混合して混合気を生成し、燃焼室２４に供給して燃焼
させる。尚、気体燃料としては、天然ガスなどのガス燃
料を使用する。

【００１９】図２はベンチュリミキサ２２が形成される
ミキサ基体２２ａの構造を詳細に示す断面図、図３は燃
焼室側から見たミキサ基体２２ａの正面図、図４は図３
のＩＶ−ＩＶ線断面図、図５は図３のＶ−Ｖ線断面図で
ある。

【００２０】図示の如く、ミキサ基体２２ａは燃焼室側
の本体２２ａ１と、それに取り付けられるフランジ部２
２ａ２とからなり、それらの内部に複数個のベンチュリ
ミキサ（マルチベンチュリミキサ）２２が形成される。

【００２１】以下、ベンチュリミキサ２２の構成を詳細
に説明すると、ベンチュリミキサ２２は複数個、より正
確には２０個のマルチベンチュリミキサとして構成され
る。ベンチュリミキサ２２は、図３に良く示す如く、そ
の中の１０個が、ミキサ基体２２ａの中心軸線２２ａ３
（タービン１４の出力軸１４ａの軸線１４ｂに一致）の
回りに所定の間隔をおいて放射状に配置されると共に、
その外側には残りの１０個が同様に所定の間隔をおいて
放射状に配置される。

【００２２】２０個のベンチュリミキサ２２のそれぞれ
は、空気供給路３０に接続される空気取り入れ口２２ｂ
と、燃料管２２ｃを介して前記気体燃料供給源に接続さ
れる燃料取り入れ口２２ｄと、空気取り入れ口２２ｂと
燃料取り入れ口２２ｄに連続すると共に、混合気生成部
で合流して混合気を生成する混合気生成通路２２ｅと、
混合気生成通路２２ｅの終端で燃焼室２４に開口する噴
射口２２ｆとを備える。

【００２３】混合気生成部は、空気取り入れ口２２ｂに
接続され、縮径された断面円形（後述）のスロート部２
２ｈと、燃料取り入れ口２２ｄに接続され、スロート部
２２ｈに穿設された噴射孔２２ｊを介して合流して混合
気生成通路２２ｅに連続する燃料通路２２ｋを備える。

【００２４】図示のガスタービン・エンジン１０は気体
燃料（天然ガス）を用いるが、上記は予混合燃焼用の混
合気の供給の場合である。図６は燃焼温度、より正確に
は断熱火炎温度（混合気を断熱の条件の下で燃焼させた
ときの温度）Ｔａｄに対するＣＯ，ＮＯｘのエミッショ
ン濃度（排出濃度）を示すグラフ図である。

【００２５】低エミッション化のためには、ＣＯ，ＮＯ
ｘのエミッション濃度を図示のエミッション濃度上限以
下の可能な限り低い値に抑制するのが望ましい。この種
のガスタービン・エンジンにあっては、燃焼形態は拡散
燃焼と予混合燃焼に大別されるが、予混合燃焼は拡散燃
焼に比較して燃焼温度が比較的低いことから、エミッシ
ョン性能の点で優れているが、アイドル時などの運転状
態では失火を招き易い。

【００２６】他方、拡散燃焼は安定した燃焼が得られる
が、混在する高温部位がＮＯｘの排出濃度を増加させ
る。このように、図７に示す如く、燃焼範囲において拡
散燃焼は常に可能であるが、予混合燃焼は限られた範囲
でのみ可能となる。そこで、ベンチュリミキサ２２とし
ては両者の燃焼を可能とする構成にすると共に、断熱火
炎温度Ｔａｄおよび運転状態などから２種の燃焼形態の
いずれかを選択することになる。

【００２７】図２などに戻り、その拡散燃焼用の構成に
ついて説明すると、ミキサ基体２２ａの中心軸線２２ａ
３（タービン１４の出力軸１４ａの軸線１４ｂおよび燃
焼室２４の中心軸線２４ｃに一致）上に混合気を点火す
る点火プラグ３４が配置されると共に、点火プラグ３４
の本体３４ａの回りに、第２の燃料管２２ｌを介して前
記気体燃料供給源に接続される、点火プラグ３４に沿っ
て真っ直ぐ延びる拡散燃焼用の第２の燃料通路２２ｍが
形成される。

【００２８】点火プラグ３４はグロー型からなり、その
先端には燃焼室２４を臨む位置において発熱体３４ｂが
形成される。点火プラグ（グロープラグ）３４は図示し
ない電圧源から通電されることにより、先端の発熱体３
４ｂが１２００℃から１３００℃程度に発熱し、その熱
で燃焼室２４内の混合気を着火する。

【００２９】第２の燃料通路２２ｍの先端には、第２の
燃料通路２２ｍに連続する第２の噴射口２２ｎが、点火
プラグ３４の発熱体３４ｂの回りに複数個配置される。
より正確には図３に示す如く、所定の間隔をおいて６個
と１２個の第２の噴射口２２ｎが同心円をなし、発熱体
３４ｂに近接して発熱体３４ｂを囲むように放射状に配
置、即ち、２つの（複数の）半径の異なる円周上に配置
される。尚、図示の簡略化のため、図２では第２の噴射
口２２ｎは１個のみ示した。

【００３０】このように、図２に示す如く、ミキサ基体
２２ａの中心軸線２２ａ３（燃焼室２４の中心軸線２４
ｃ）には点火プラグ３４の発熱体３４ｂが配置されると
共に、その回りには拡散燃焼用の１８個の第２の噴射口
２２ｎが配置され、その外周には予混合燃焼用の２０個
の噴射口２２ｆが配置される。

【００３１】図示の構成において、燃料管２２ｃを介し
て気体燃料供給源に接続される燃料取り入れ口２２ｄに
は予混合燃焼用燃料が供給されると共に、燃料管２２ｌ
を介して同様に気体燃料供給源に接続される第２の燃料
通路２２ｍには拡散燃焼用燃料が供給される。

【００３２】予混合燃焼用燃料も拡散燃焼用燃料も同種
の気体燃料であるが、予混合燃焼では燃焼室２４に噴射
する以前で均一な混合気を生成する必要があることと、
予混合燃焼と拡散燃焼を切り替える必要があることか
ら、供給系統が図示のように別々に設けられる。

【００３３】即ち、図示しないバルブを開閉するなどし
て予混合燃焼用燃料の供給を停止すると共に、拡散燃焼
用燃料を供給すると、拡散燃焼用燃料は第２の燃料通路
２２ｍを通って第２の噴射口２２ｎから燃焼室２４に噴
射される。このとき、空気は空気取り入れ口２２ｂから
供給され、混合気生成通路２２ｅを通り、噴射口２２ｆ
から燃焼室２４に噴射され、燃焼室２４で燃料と混合し
て混合気が形成され、着火されて拡散燃焼を生じる。

【００３４】他方、拡散燃焼用燃料の供給が停止される
と共に、予混合燃焼用燃料が供給されると、予混合燃焼
用燃料は混合気生成部で空気と合流して混合気となり、
同様に混合気生成通路２２ｅを通り、噴射口２２ｆから
燃焼室２４に噴射され、着火されて予混合燃焼を生じ
る。

【００３５】ここで、混合気生成部を含む混合気生成通
路２２ｅを詳細に説明する。

【００３６】図８は混合気生成通路２２ｅのスロート部
２２ｈの縦断面図であり、図９はそのＩＸ−ＩＸ線断面
図である。

【００３７】図示の如く、スロート部２２ｈは中央部位
に向けて徐々に縮径された断面円形を呈すると共に、中
央部位には径方向から穿設されて燃料通路２２ｋを介し
て燃料取り入れ口２２ｄに接続される、前記した噴射孔
２２ｊが、所定の間隔をおいて３個形成される。噴射孔
２２ｊは、上記した燃料通路２２ｋに接続される燃料輸
送路２２ｊ１と、それに連続して直線状に穿設されて燃
料を噴射するときに方向を与えるようにされた細孔２２
ｊ２とからなる。

【００３８】噴射孔２２ｊはそれぞれ、スロート部２２
ｈの中心２２ｈ１から壁面２２ｈ２までの半径をｒとす
るとき、半径ｒをｎ倍だけオフセットさせた位置２２ｈ
３から前記中心を通る任意の線２２ｈ４に平行となる方
向に予混合燃焼用燃料を噴射するように、換言すれば、
細孔２２ｊ１が線２２ｈ４に平行となるように、スロー
ト部２２ｈの接線方向に向けて穿設される。尚、ｎは１
未満、望ましくは０．７から０．９である。

【００３９】このように、噴射孔２２ｊをスロート部２
２ｈの中心２２ｈ１からその接線方向（壁面方向）にオ
フセットさせることにより、流入する空気と燃料の混合
を効果的に促進させることができる。

【００４０】即ち、ベンチュリミキサ２２の場合、スロ
ート部２２ｈで空気に燃料が注入（噴射）され、その下
流の減速部（後述する２２ｅ１）で発生する速度勾配を
利用して空気と燃料が混合されるため、スロート部２２
ｈでは中心部まで燃料を貫通させるより、スロート部の
壁面付近２２ｈ２に沿わせて燃料を注入する方が、空気
と燃料を短時間でかつ均質に混合することができる。た
だし、壁面２２ｈ２に接近させ過ぎて燃料を注入する
と、壁面付近の運動量の小さい領域（境界層）に燃料が
留まり、空気全体に拡散しないため、均質な混合気を生
成することができない。

【００４１】そこで、この実施の形態においては、スロ
ート部２２ｈ１の中心を通る任意の線２２ｈ４に対して
平行で、かつ壁面２２ｈ２から僅かに離れた位置（ｒ・
ｎ）から燃料を注入するように構成したので、燃料が中
心部まで貫通することがなく、境界層に留まることがな
いので、減速部で混合が効果的に促進され、短時間で均
質な予混合気を生成することができる。ここで、ｎを
０．７から０．９に設定することで、燃料をスロート部
２２ｈの壁面２２ｈ２に付着させることがないようにし
た。

【００４２】このことは、同じ時間（距離）であれば、
より均質な予混合気が生成されることを意味し、燃焼温
度（断熱火炎温度）が同一であれば、ＮＯｘの排出濃度
を一層低減することができる。さらに、同程度に均質な
予混合気を生成するのであれば、より短時間（短距離）
で混合が可能となるため、自己着火を防止し易くなって
自己着火に対するタフネスを向上させることができる。

【００４３】図４に戻って混合気生成通路２２ｅの説明
を続けると、混合気生成通路２２ｅは、スロート部２２
ｈの下流位置で徐々に拡径されて（具体的にはミキサ基
体の中心軸線２２ａ３（軸線２４ｃに一致）に対して１
０度から１５度程度拡径されて）減速部２２ｅ１が形成
されると共に、その下流側の噴射口２２ｆ付近、より詳
しくはその手前で徐々に（滑らかに）縮径させられて絞
り部２２ｅ２が形成される。

【００４４】また、空気取り入れ口２２ｂに対して噴射
口２２ｆを中心軸線２２ａ３の円周方向にずらせ、これ
によって図４に示す如く、混合気生成通路２２ｅを絞り
部２２ｅ２から噴射口２２ｆにかけて前記円周方向に、
角度θ（より正確には中心軸線２２ａ３に対して６０度
から７０度）だけ偏向させるように構成される。

【００４５】具体的には、図３において、内周側の１０
個のベンチュリミキサの中の任意のものの空気取り入れ
口を２２ｂ１とすると共に、その噴射口２２ｆを２２ｆ
１とするとき、図示のように、円周方向（図では左旋回
方向）にずらせるように構成する。同様に、外周側の１
０個のベンチュリミキサの中の任意のものの空気取り入
れ口を２２ｂ２とすると共に、その噴射口２２ｆを２２
ｆ２とするとき、図示のように、円周方向（図では左旋
回方向）にずらせるように構成する。

【００４６】かく構成することにより、ベンチュリミキ
サ２２にスワラを一体的に設けることとなり、噴射され
る混合気は旋回するフローパターンを与えられることと
なって燃焼を促進し、保炎性能を向上させることがで
き、これによってＣＯ排出濃度を低減することができ
る。

【００４７】また、結果的に低い断熱火炎温度において
も安定した予混合燃焼が可能となり、予混合燃焼が可能
な範囲を拡大することができ、ＮＯｘの排出濃度も一層
低減することができる。

【００４８】即ち、複数個のベンチュリミキサ２２のそ
れぞれを燃焼室２４の中心軸線２４ｃを中心軸とする、
複数の半径の異なる円周上に配置し、噴射口２２ｆ付近
を混合気生成通路２２ｅに連続する通路として、断面積
を減少させながら滑らかに前記中心軸線２４ｃを中心と
する円周接線方向に偏向させるように構成したので、絞
り部２２ｅ２によって噴射口２２ｆ付近の予混合気の流
速を高くすることができ、燃焼室２４の火炎がミキサ２
２に侵入して逆火となるのを効果的に防止することがで
きる。それによって、燃焼用空気温度・燃焼温度（断熱
火炎温度）が高い場合でも、逆火や自己着火を起こすこ
となく、予混合燃焼を実現することができる。

【００４９】さらに、滑らかな通路が形成されることか
ら、逆火や自己着火の発生を一層効果的に抑制すること
ができて燃焼室に強い旋回流を生じさせることができ、
それによって燃焼が促進されて希薄予混合燃焼状態でも
安定した燃焼を実現することができてＣＯ排出濃度を低
減することができる。また、低い燃焼温度（断熱火炎温
度）での燃焼も可能となることから、ＮＯｘ排出濃度も
低減することができる。

【００５０】このように、予混合燃焼が可能な範囲を拡
大することができるので、ガスタービン・エンジン１０
においてより広い運転範囲（負荷範囲）で低エミッショ
ンの予混合燃焼を実現することができ、ガスタービン・
エンジンとして一層の低エミッション化を図ることがで
きる。

【００５１】尚、図示の如く、ベンチュリミキサ２２の
空気取り入れ口２２ｂは断面円形とすると共に、噴射口
２２ｆは断面略矩形状とする。また、空気取り入れ口２
２ｂの断面積をＡとするとき、噴射口２２ｆのそれはＡ
のｍ倍（ｍ：１．０から１．１）とする。

【００５２】このマルチベンチュリミキサ２２は図示の
ミキサ基体２２ａの本体２２ａ１として鋳造し、それに
フランジ部２２ａ２を取り付けることによって製作す
る。この種のマルチベンチュリミキサは通例、個々のベ
ンチュリミキサを接合して束ねることによって製作する
が、鋳造で製作することとしたので、大量生産時の製作
コストを低減させることができる。尚、ミキサ基体２２
ａは、フランジ部２２ａ２の周縁に穿設されたボルト孔
２２ａ４にボルト（図示せず）を挿通し、図１に示す如
く、タービン・ケーシング３６に取り付けて固定する。

【００５３】図１０は燃焼室２４付近の部分断面側面
図、図１１は同様にその部位の部分断面側面図、図１２
は図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。

【００５４】図１０などを参照してガスタービン・エン
ジン１０の説明を続けると、燃焼室２４は、ミキサ基体
２２ａに気密に固定されると共に、その中心軸線２２ａ
３（軸線１４ｂおよび２４ｃ）を中心としてミキサ基体
２２ａよりも径大の断面円形のケーシング（燃焼室ケー
シング）２４ａと、ミキサ基体２２ａに対向する側に設
けられた断面凸形を呈すると共に、その内部は空洞に構
成される側壁２４ｂとで囲まれる空間内に形成される。

【００５５】ケーシング２４ａの外側にはライナ４０が
配置される。ライナ４０は一端が、ミキサ基体２２ａの
本体２２ａ１に固定された円錐状のドーム４０ａに差し
込まれて半径方向のみ固定（軸方向には移動自在）され
ると共に、他端は、燃焼室２４で発生した燃焼ガスのタ
ービン１４の入力口である、タービンノズル１４ｃのケ
ーシングを構成する。図１１に示す如く、ライナ４０お
よびドーム４０ａには多数（複数個）の孔４０ｂが穿設
される。

【００５６】また、ケーシング２４ａの（側壁２４ｂに
近接する）先端付近には、ミキサ形状部２４ａ１が形成
される。ミキサ形状部２４ａ１は、図１２に示す如く、
波形に形成され、ライナ４０との離間距離ｄが凸位置で
は小さく、凹位置では大きくなるように形成される。か
かるミキサ形状部２４ａ１が、燃焼室ケーシング２４ａ
の全周にわたって形成される。

【００５７】次いで、図１を参照してガスタービン・エ
ンジン１０の動作を説明する。

【００５８】空気吸入口２６から矢印ａで示す如くコン
プレッサ１２で吸引されて加圧される空気（新気。例え
ば１５℃）は、矢印ｂで示すように空気供給路３０を流
れる。

【００５９】他方、タービン１４の回転に使用された燃
焼ガスは依然７００℃程度の高温にあることから、矢印
ｃで示すように熱交換器４２に送られ、そこでコンプレ
ッサ１２で吸引された新気と熱交換される。それによっ
て空気は例えば６００℃程度まで昇温された後、矢印ｄ
で示すように空気供給路３０を流れ、前記したようにベ
ンチュリミキサ２２に供給される。

【００６０】ベンチュリミキサ２２に供給された空気
は、その中を矢印で示す如く流れて気体燃料と混合し、
混合気となって燃焼室２４に噴射され、点火プラグ３４
で点火されて拡散燃焼あるいは予混合燃焼を生じる。

【００６１】上記したようにベンチュリミキサ２２を流
れる空気は６００℃程度まで昇温されているが、図２に
良く示す如く、この実施の形態にあっては点火プラグ３
４がミキサ基体２２ａの本体２２ａ１の中心軸線２２ａ
３の上に配置されると共に、点火プラグ３４の本体３４
ａの回りに拡散燃焼用の第２の燃料通路２２ｍが形成さ
れるようにしたので、燃料温度が２００℃程度であるこ
とから、点火プラグ３４を吸入空気温度から良く保護す
ることができ、その耐久性を向上させることができる。

【００６２】さらに、この実施の形態にあっては、ミキ
サ基体２２ａの本体２２ａ１中心には点火プラグ３４の
発熱体３４ｂが配置されると共に、その回りには拡散燃
焼用の１８個の第２の噴射口２２ｎが配置され、その外
周には予混合燃焼用の２０個の噴射口２２ｆが配置され
るように、換言すれば、混合気生成通路２２ｅを介して
点火プラグ３４の発熱体３４ｂの回りに、それから所定
距離をおいて旋回流を生じさせるように構成したので、
本体２２ａ１の中心軸線２２ａ３の付近はよどみ領域と
なり、そこに拡散燃焼用の燃料を噴射することとなり、
燃料の拡散を抑えることができて濃い混合気を形成する
ことができる。また、その中心軸線２２ａ３上に点火プ
ラグの発熱体３４ｂを配置することで着火性あるいは保
炎性も良好となる。

【００６３】また、このように部材を中心軸線２３ａ３
（２４ｃ）に対称配置することで、熱による変形（延
び）の影響を均等化することができ、それによってベン
チュリミキサ２２としての耐久性を向上させることがで
きる。尚、燃料の拡散は、燃焼空気のフローパターン、
あるいは第２の噴射口２２ｎの直径、本数、角度などで
適宜に調整することができる。

【００６４】このように、予混合燃焼に関しては混合気
が旋回流とされることで燃焼が促進されて安定した予混
合燃焼が実現できて予混合燃焼が可能な範囲を拡大する
ことができ、一層の低エミッション化を図ることができ
る。さらに、拡散燃焼に関しても燃料の拡散が防止され
ると共に、着火性あるいは保炎性が向上されることで、
燃料流量が少ないときも安定した拡散燃焼を得ることが
でき、予混合燃焼と拡散燃焼の切り替え時の燃焼の安定
性などでも向上させることができる。

【００６５】図１の説明に戻ると、よって生じた燃焼ガ
スは矢印ｅで示す如く流れ、タービンノズル１４ｃを通
ってタービン１４を回転させる。タービン１４の回転は
出力軸１４ａを介してコンプレッサ１２を回転させると
共に、発電機２０を駆動する。

【００６６】このとき、空気供給路３０を流れる空気の
一部は、矢印ｆで示すように、多数穿設された孔４０ｂ
を通って（介して）燃焼室２４のケーシング２４ａの外
側に導入され、冷却空気としてケーシング２４ａの壁面
に噴流衝突させられる。

【００６７】即ち、燃焼室２４の温度は燃焼時には１５
００℃にも達し、ケーシング２４ａの壁温もそのままで
は１０００℃に達してしまうため、この実施の形態にお
いては、多数穿設された孔４０ｂから冷却空気をケーシ
ング２４ａの壁面に噴流衝突させるようにした。これに
よってケーシング２４ａの壁面付近の冷却空気の温度上
昇を抑えることができ、冷却効率を向上させることがで
きる。

【００６８】通常、座屈に許容される温度より、酸化に
許容される温度の方が高いが、図示の構造では、空気通
路３０と燃焼室２４との間に発生する圧力差による荷重
のほとんどをライナ４０が受けることになる（ケーシン
グ２４ａの外側と燃焼室２４の間に発生する圧力差は、
空気通路３０と燃焼室２４との間に発生する圧力差と比
較すると充分に低い）。

【００６９】しかしながら、この実施の形態において
は、ケーシング２４ａが燃焼室２４からの熱を遮断する
ため、ライナ４０の壁温が過度に上昇することがなく、
よって座屈耐力を容易に確保することができる。また、
ケーシング２４ａは受ける荷重が小さいため、酸化に対
する許容温度まで壁温を上げることができ、それによっ
てＣＯの排出濃度を低減させて低エミッション化を図る
ことができる。

【００７０】即ち、この種のガスタービン・エンジンで
は、燃焼室２４を冷却させるため、通例、膜冷却方式が
用いられる。この膜冷却方式では、冷却に遣われた空気
はそのまま燃焼室に導入され、燃焼用あるいは希釈用の
空気として使用される。予混合燃焼の場合、燃焼過程の
途中で空気（新気）が燃焼室２４に流入すると、燃焼が
不安定になり、不完全燃焼を生じてＣＯの排出が増加
し、失火が起こる。燃焼温度（断熱火炎温度）を高くし
ないと安定した燃焼（完全燃焼）が得られず、ＮＯｘの
排出濃度も増加する。これは、燃焼ガスの温度低下や、
空間的な燃料濃度分布の均質性が失われるためである。

【００７１】この実施の形態では、穿孔されたライナ４
０（およびドーム４０ａ）を設け、噴流衝突させて冷却
させるようにしたので、換言すれば、ケーシング２４ａ
を穿孔する必要がないので、その部位からの希釈空気の
侵入を防止することができ、安定した燃焼、特に燃焼と
して不安定な予混合燃焼の安定化を図ることができる。

【００７２】このように、ケーシング２４ａの冷却に使
用された空気（冷却空気）は、全て（燃焼ガスを所定の
温度に調節するための）希釈空気として燃焼ガスと混合
される。即ち、ケーシング２４ａの最後流（最下流）部
で燃焼反応が終了した燃焼ガスと混合されることから、
安定した予混合燃焼を実現することができる。

【００７３】また、ケーシング２４ａの先端付近にはミ
キサ形状部２４ａ１が形成されてライナ４０との離間距
離ｄが凸位置では小さく、凹位置では大きくなるように
形成されることから、矢印ｅで示す燃焼ガスと矢印ｆで
示す冷却空気（希釈空気）がタービンノズル１４ｃの入
口で合流するとき、相互に接触する面積が増加して両者
が良く混じり合い、それによっても冷却空気が燃焼室２
４に侵入するのを低減することができ、予混合燃焼の安
定化を図ることができる。

【００７４】さらに、ケーシング２４ａはミキサ基体２
２ａの本体２２ａ１に気密に取り付けるようにしたの
で、それによっても空気が燃焼室２４に侵入するのを防
止することができて予混合燃焼の安定化を図ることがで
きる。また、前記したように、予混合燃焼の安定化は予
混合燃焼域が拡大することを意味し、結果として一層の
低エミッション化を達成することができる。

【００７５】さらに、燃焼ガスと希釈空気（冷却空気）
を平行流で混合（合流）させてタービンノズル１４ｃを
介してタービン１４に供給するようにしたので、冷却空
気の燃焼室２４への逆流を防止することができて燃焼の
安定化を一層良く実現することができる。

【００７６】尚、図１１に示す如く、ライナ４０（およ
びドーム４０ａ）において孔４０ｂは２列穿設された比
較的大径な孔群を除くと、残余の孔群は同一の孔径に形
成されているが、燃焼室２４の温度分布に応じて変化さ
せることにより、壁温の分布も適宜に設定することも可
能となり、膜冷却手法を用いることなく、ケーシング２
４ａを効果的に冷却することができる。

【００７７】図１の説明に戻ると、熱交換に使用された
燃焼ガスは、矢印ｇで示す如く、排気口４４からガスタ
ービン・エンジン１０の外部に排出される。また図１お
よび図１０で符号４６，４８はそれぞれ、圧力センサと
温度センサが組み合わされたセンサ構造体を示す。

【００７８】この実施の形態にあっては上記の如く、コ
ンプレッサ１２で加圧された空気を圧送する空気供給路
３０と気体燃料供給源に接続される複数個のベンチュリ
ミキサ２２を備え、前記複数個のベンチュリミキサ２２
で前記空気と気体燃料を混合して生成された混合気を燃
焼室２４に供給して予混合燃焼あるいは拡散燃焼させ、
生じた燃焼ガスをタービンノズル１４ｃを介してタービ
ン１４に供給して前記タービン１４を回転させて前記コ
ンプレッサ１２を駆動する一方、前記タービンの回転を
出力軸１４ｂを介して出力するガスタービン・エンジン
１０の燃焼器１６において、前記燃焼室２４を形成する
燃焼室ケーシング２４ａの外側にライナ４０を配置して
前記タービンノズル１４ｃに接続すると共に、前記ライ
ナ４０（およびドーム４０ａ）に複数個の孔４０ｂを穿
設し、前記穿設された複数個の孔４０ｂを介して前記空
気供給路３０の空気の一部を前記燃焼室ケーシング２４
ａの外側に導入するように構成した。

【００７９】また、前記燃焼室ケーシング２４ａのター
ビンノズル側端部に、前記導入空気と前記燃焼ガスの混
合を促進するミキサ形状部２４ａ１を形成した。

【００８０】尚、上記の実施の形態において、図９でベ
ンチュリミキサ２２のスロート部２２ｈに噴射孔２２ｊ
を３個設けた例を図示したが、２個あるいは４個設けて
も良い。

【００８１】

【発明の効果】請求項１項にあっては、燃焼室を形成す
る燃焼室ケーシングの外側にライナを配置してタービン
ノズルに接続すると共に、ライナに複数個の孔を穿設
し、それを介して空気通路の空気の一部を燃焼室ケーシ
ングの外側に導入するように構成したので、高温の燃焼
ガスに曝される燃焼室ケーシングを効果的に冷却するこ
とができると共に、拡散燃焼時に火炎を燃焼室の中心部
に留め、その回りに予混合気生成通路を通過した空気が
包むように構成することが可能となるため、燃焼室への
入熱を抑制することができて予混合燃焼に悪影響を与え
る膜冷却を不要とすることができる。

【００８２】また、二重壁としたことで、圧力荷重を温
度の低い外側のライナで受け、燃焼室を形成するケーシ
ング（内側のライナ）は、ほとんど圧力荷重を受けるこ
とがない（即ち、外側のライナに比して十分に小さい圧
力荷重を受けるに過ぎないため、ほとんど圧力荷重を受
けることがない）。よって、より高い強度（座屈）およ
び耐久性を確保しつつ、燃焼室に接するケーシングを高
温（ただし酸化許容温度以下）に保つことが可能とな
り、ＣＯの排出濃度を低減することができる。さらに、
それによって燃焼室ケーシングの座屈耐力を向上させる
ことができて低エミッション化を図ることができる。

【００８３】さらに、予混合燃焼では火炎からの放射が
拡散燃焼に比して小さいことから、この構成において、
衝突冷却（インピンジ冷却）用いつつ、孔径や配置を調
整することにより、膜冷却を用いることなく、燃焼ケー
シングを冷却することが可能となる。

【００８４】請求項２項にあっては、燃焼室ケーシング
のタービンノズル側端部に、導入空気と前記燃焼ガスの
混合を促進するミキサ形状部を形成したので、希釈空気
（冷却空気）と燃焼ガスを平行して合流させることがで
き、逆流を防止することができる。また、合流部の形状
を変えることにより、温度分布制御や混合を促進するこ
とが可能となる。例えば、希釈空気と燃焼ガスが接する
境界面を長くすることで、混合を促進することができ
る。また、燃焼室への逆流を防止することで、一層安定
な燃焼を実現することができると共に、タービンに供給
する燃焼ガスの温度を低下させることができてロータな
どタービンの耐久性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一つの実施の形態に係るガスタービ
ン・エンジンの燃焼器をガスタービン・エンジン全体を
含めて示す概略図である。

【図２】図１の燃焼器の中のベンチュリミキサが形成さ
れるミキサ基体の構造を詳細に示す断面図である。

【図３】図２のミキサ基体の燃焼室側から見た正面図で
ある。

【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。

【図５】図３のＶ−Ｖ線断面図である。

【図６】図１のガスタービン・エンジンの燃焼温度（断
熱火炎温度）Ｔａｄに対するＣＯ，ＮＯｘのエミッショ
ン濃度（排出濃度）を示すグラフ図である。

【図７】図１のガスタービン・エンジンの燃焼範囲にお
ける拡散燃焼と予混合燃焼の範囲を示すグラフ図であ
る。

【図８】図２のミキサ基体に形成されたベンチュリミキ
サの混合気生成部のスロート部の縦断面図である。

【図９】図８のＩＸ−ＩＸ線断面図である。

【図１０】図１のガスタービン・エンジンの燃焼室付近
の部分断面側面図である。

【図１１】同様に、図１のガスタービン・エンジンの燃
焼室付近の部分断面側面図である。

【図１２】図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。

【符号の説明】

１０ ガスタービン・エンジン １２ コンプレッサ １４ タービン １４ａ タービンの出力軸 １４ｂ タービンの出力軸の軸線 １６ 燃焼器 ２０ 発電機 ２２ ベンチュリミキサ（マルチベンチュリミキ
サ） ２２ａ ミキサ基体 ２２ｂ 空気取り入れ口 ２２ｃ 燃料管（第１の燃料管） ２２ｄ 燃料取り入れ口 ２２ｅ 混合気生成通路 ２２ｅ１ 減速部 ２２ｅ２ 絞り部 ２２ｆ 噴射口（第１の噴射口） ２２ｈ スロート部 ２２ｊ 噴射孔 ２２ｋ 燃料通路（第１の燃料通路） ２２ｌ 第２の燃料管 ２２ｍ 第２の燃料通路 ２２ｎ 第２の噴射口 ２４ 燃焼室 ２４ａ ケーシング（燃焼室ケーシング） ２４ａ１ ミキサ形状部 ２４ｃ 燃焼室の中心軸線 ２６ 空気吸入口 ３０ 空気供給路 ３４ 点火プラグ ３４ａ 発熱体 ４０ ライナ ４０ｂ 孔 ４２ 熱交換器 ４４ 排気口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンプレッサで加圧された空気を圧送す
   る空気供給路と気体燃料供給源に接続される複数個のベ
   ンチュリミキサを備え、前記複数個のベンチュリミキサ
   で前記空気と気体燃料を混合して生成された混合気を燃
   焼室に供給して予混合燃焼あるいは拡散燃焼させ、生じ
   た燃焼ガスをタービンノズルを介してタービンに供給し
   て前記タービンを回転させて前記コンプレッサを駆動す
   る一方、前記タービンの回転を出力軸を介して出力する
   ガスタービン・エンジンの燃焼器において、前記燃焼室
   を形成する燃焼室ケーシングの外側にライナを配置して
   前記タービンノズルに接続すると共に、前記ライナに複
   数個の孔を穿設し、前記穿設された複数個の孔を介して
   前記空気供給路の空気の一部を前記燃焼室ケーシングの
   外側に導入するように構成したことを特徴とするガスタ
   ービン・エンジンの燃焼器。
2. 【請求項２】 前記燃焼室ケーシングのタービンノズル
   側端部に、前記導入空気と前記燃焼ガスの混合を促進す
   るミキサ形状部を形成したことを特徴とする請求項１項
   記載のガスタービン・エンジンの燃焼器。